赴欧洲中期天气预报中心访问总结

赴欧洲中期天气预报中心访问总结

姚隽琛

（国家气候中心，北京100081）

1概述

应欧洲中期天气预报中心（ECM-WF）地球系统可预报性研究室首席专家、次季节-季节预测（S2S）计划委员会主席Frederic Vitart邀请，2018年10月1日至2019年3月31日，国家气候中心模式室姚隽琛博士赴英国ECMWF进行为期半年的交流访问。该访问是在2014年中国气象局和欧洲中期天气预报中心签署的合作纪要项目3“数值天气预报研究与开发—

—次季节-季节预测（S2S）”项目框架下进行的工作交流。

2在英期间的主要工作

欧洲中期天气预报中心（ECM-WF）是一个独立的政府间组织，有34个成员国。它既是一个研究机构，也是一个向其成员国提供数值天气预报产品的业务服务机构。其一直处于数值天气预报研究的前沿，是世界领先的全球中期天气预报中心。作为一个研究机构,ECMWF参与很多国际合作项目，次季节-季节预测（S2S）便是其中之一■。

此次访问是基于S2S研究框架，在该研究框架内初值对于预测的影响是非常重要的课题。不同于短期天气预测，S2S的预测初值需要考虑海-气相互作用，大气与海洋的一致性非常重要。因此考察耦合同化对于可预报性的影响直沿研究。

为了研究耦合同化初值对次季节-季节可预报性的影响，必须使用耦合同化初值。而世界上目前只有EC­MWF发布了最新的耦合同化再分析资料CERA-SAT。故此次访问内容没有针对S2S的数据库进行分析诊断，而是把重点放在CERA-SAT对于次季节-季节可预报性的影响上，重点探讨其对热带中短期天气现象可预报性的影响，主要对象为热带季节内振荡（MJO）与热带气旋（TC）。此外，此研究也国家气中心模式在发展的耦合同化系统提供前瞻性结果。

CERA-SAT是ECMWF首次，也是世界气象领域首次使用耦合同化系统将卫星资料同化产生的再分析资料。其同化了2008年至今的大气、海洋、海冰、海浪以及陆面的卫星观测资料。较之ERA-Interim以及ERA5再分析资料单独的大气资料同化，CE ­

RA-SAT的特点在于使用了耦合同化系统。该同化系统的大气分量采用四维变分(4DVar)同化方法，海洋、海冰分量采用三维变分(3DVar)同化方法，陆面分量的雪盖、2m气温以及土壤湿度的同化分别使用最优插值(OI)和扩展卡尔曼滤波(EKF)同化方法。

CERA-SAT有效改善了海-气相互作用频繁的热带区域的资料可靠性，但是热带外区域的资料可靠性略有下降。热带外CERA-SAT资料可靠性下降是由耦合模式对于边界流的刻画能力不足导致。针对CERA-SAT资料可靠性以及可预报性的评估将为ECMWF下一代耦合同化再分析资料的产生以及为预测系统耦合同化初值提供指导性意义。

因为CERA-SAT对热带海-气相

用的力有提，以将其作为预报初值，研究耦合同化系统对于热带现象的可预报性的影响，以及区分值大气同化

海洋同化都十分重要。

为了完成该研究，ECMWF对笔者进行了1周的培训。内容包括计算机环境的使用、超算的使用、数据库的使用、ECMWF最新积分预测系统IFS 的使用和模式分析包的使用等。培训后，笔者熟悉了ECMWF的IFS模式系统,并且在ECMWF的科学家指导下，能够独立运行本研究所需的预测试验。

了耦同化值MJO、TC的可预报性影响，此次访问使用了ECMWF的IFS模式Cy45r1版本，利用CERA-SAT再分析资料作为预测初值进行了一系列历史回报试验。本研究除了使用CERA-SAT作为预测初值以外，还进行了2组敏感性试验。

分别CERA-SAT耦同化

料作为初值的预测试验以及CERA-SAT大气耦同化值的预测试验。由此,3组试验进行对比便可获悉耦合同化初值较之非耦合同化初值对于热带可预报性的影响，同时能够分辨预测误差是来源于大气同化初值还是海洋同化初值。

研究结果表明，在MJO的预测方面，耦合同化初值较之非耦合同化初值降低了MJO的8〜20天的可预报性。主要表现为，MJO与卫星观测资料在该区间相关系数的下降及均方根误差的上升。进一步分析表明，使用耦合同化初值的预测试验在MJO的海洋大陆模态预测误差较大，误差来源于耦合资料同化的海洋分量。使用静力能收支诊断后的结果表明，耦合同化值的分量低了度

至暖池区的潜热通量，削弱了该区域的对流，使得MJO的预报误差在起报日8〜20天后迅速提升。这种潜热通量的耦同化系分量中被低估的海表面温度。这也体现了对于MJO这种季节内尺度的热带现象，提高海洋资料同化准确性的必要性。

在TC预测方面，耦合同化初值较之非耦合同化初值显著提高了其可预报性，主要集中在3〜8天预报。在耦合同化初值的影响下，模式预报的TC 强度、中心气压及路径偏差均有显著提升。这种提升受益于耦合同化初值

的大气分量。进一步分析表明，CE­RA-SAT再分析资料同化了更多对流层近地表的观测资料，使得其对TC的初值估计较之非耦合同化初值更为准确。

上述研究表明,CERA-SAT的大气资料同化分量有显著提升，主要误差来源是其海洋资料同化。大气资料同化带来的可预报性提升主要为10天以内，而海洋资料同化的影响可以到达季节尺度。

3收获和体会

(1)在ECMWF访问工作半年，体会最深的是该机构在资料同化、集合预报方面的先进程度。他们针对观测资料的获取、资料同化方法的研发、集合产生方案进行了大量的研究，使得他们在海洋模式耦合误差较大的情况下，依然可以将MJO的可预报性维持在35天以上，得益于他们先进的资料同化方法。这也为我们自己的预测系统发展资料同化方法、开展集合预报研究方法提供了良好的参考方向。未来，我们也可以利用耦合同化系统开展集合预报，提高我们的业务预测水平。

(2)ECMWF先进的计算机软件研究环境。ECMWF研发部门与计算机部门具有非常紧密的交流，每个大办公室里都有一个计算机部门的同事，大家在遇到计算机问题便可以实时交流。而研发人员使用的软件、运行模式基本上都是计算机部门科学家开发的模式件。这也

得培训访问科学家1周内可以熟练使用他们的模式进行试验，也让研发人员可以集中精力解决科学问题而不是机。

(3)ECMWF对于自身模式预测能力的评估。ECMWF每周五召开一次天气讨论会，针对当前全球发生的各种天气事件进行模式回顾。模式预测出这次天气事件，原因是什么；如果模式没有抓住这次天气事件，原因是观测"模式"

同化系统问题，来自研发部门、同化部门、预测部门、计算机部门的领导以及同事大部分都会参加这种天气讨论，同度次的模式预测力进行分析并提出建议。这使得他们对ECMWF的IFS模式问题与短板一直保持较好的认知水平，也为未来提高业务预测能力提供方向。

(4)ECMWF对于中国气象局国家气候中心未来的发展充满了期望。在ECMWF多次与中国气象局进行双边合作后，他们认可双方合作的重要性，也认为中国气象局以后的业务预测能力会有飞速提升。